公路路基小型預制構件輕質化配合比優化設計

林志平 楊 楓 張 杰

（1.福建省高速公路建設總指揮部，福建 福州 350011； 2.福建工程學院，福建 福州 350011 3.福建工大巖土工程研究所有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

自2012年江蘇省在京臺高速公路推廣小型預制構件以來，小型預制構件發揮了巨大的作用，解決了因砌石工人短缺，砌筑水平不高導致邊坡拱形骨架等工程施工質量下降問題。經過幾年發展，小型預制構件總體實現了室內生產，并且一些項目還著手開展工廠化、流水線標準化生產，但在使用過程中發現小型預制構件質量過重，不便于現場安裝砌筑等，影響流水化、工廠化生產。以莆炎三明段YA7標段為例，據統計，目前使用的小型預制構件最重的是深挖路塹D（拱形骨架）111kg，最輕的是護腳六棱塊（半塊底寬34.6）8.4kg。在35種小型預制構件中，有24種質量在50kg以上，造成現場施工搬運困難。

陶粒是在一定的生產工藝以及1000℃左右高溫作用下，黏土類礦物因排除氣體，產生膨脹而形成的內部具有灰黑色蜂窩狀結構，表面包裹一層斑化殼的一種堅硬、輕質圓形或橢圓形顆粒，其表面具有大量的溝紋和凹槽，因而與水泥砂漿之間能產生非常好的結合性[1]。陶粒作為人造輕集料，其堆積密度一般在300～1000kg/m3，與同等級的普通混凝土相比，陶粒混凝土具有結構自重輕和改善構筑物功能等特點，被大量應用于高層建筑、水工建筑等的建設中[2]。

可再分散性乳膠粉產品是由高分子聚合物乳液經噴霧干燥和后續處理等工序制備而成的粉狀熱塑性樹脂，通常為水溶性白色粉末。由于可再分散乳膠粉具有高粘結能力和獨特的性能，通過在水泥基中添加可再分散乳膠粉，可以改善混凝土漿料的各種性能[3-4]。

聚丙烯纖維原材料從單體C3H6中得到，是一種高分子碳氫化合物，具有表面疏水性，不會被水泥漿浸濕，其化學性質也非常穩定，同混凝土中的水泥、外加劑、摻合料都不會發生任何化學作用，因而與混凝土材料有良好的親和性[5-6]。

引氣劑的作用是在混凝土攪拌過程中引入了大量均勻分布、穩定而封閉的微小氣泡，從而降低了混凝土漿體表面張力，可以有效地改善混凝土的孔結構，減少砂漿混凝土拌合物的泌水離析。引入細微而穩定的空氣泡也可提高混凝土的施工性能[7-8]。

本文通過配合比設計優化，在滿足使用性能的情況下，減少材料使用量，減輕小型構件質量，進行混凝土構件輕質化配合比優化設計，開展替代材料的研究，尋找取材容易、綠色環保的輕質替代材料，另外通過外加劑劑量和摻和料種類的調整，預計減輕預制構件重量10%～25%，使預制構件質量低于50kg，同時提高構件早期強度和混凝土抗彎性能以解決混凝土小型預制構件脫模、搬運易損問題。考慮現場實際施工條件，優化施工工序，盡量減少為減輕小型構件重量而添加的摻加料（劑）的種類。對輕質混凝土材料及其試件進行物理、力學性能試驗，其試驗指標除滿足工程需求外，還應滿足JTGD30-2015《公路路基設計規范》，JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》等相關規范的各項要求。

1 設計坍落度

坍落度通常控制在150±20mm（可根據施工要求適當調整，或為維勃稠度指標進行控制）。

2 原材料

水泥：采用福建省永安萬年水泥有限公司生產的P·O42.5水泥。

細骨料：南豐縣石背采砂場生產的中砂和寧化縣安遠鄉中坑山石料場生產的機制砂。

碎石：寧化縣安遠鄉中坑山石料場生產的4.75～9.5mm和9.5～19mm集料。

粗骨料：陶粒（≤10mm）。

外加劑：引氣劑、高效減水劑（早強）。

膠粉：可再分散性乳膠粉。

纖維：聚丙烯纖維。

3 試驗結果與分析

3.1 陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響

依據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）的有關規定對混凝土配合比進行設計。設計混凝土坍落度為150±20mm，計算配制強度為38.2MPa，依據施工經驗水膠比選擇0.42。

為研究不同陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響，選取摻量分別為10%、20%、30%、40%和50%的陶粒加入水泥混凝土中，并制作一組不添加陶粒、膠粉、纖維和引氣劑的對比樣，依據試驗規程進行配合比試拌及比對（見表1），并測試水泥混凝土的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28天軸心抗壓強度、28天彈性模量、凝結時間、坍落度、混凝土質量等參數（見表2），評估不同陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響。

表1 不同陶粒摻量水泥混凝土配合比

表2 陶粒摻量對水泥混凝土性能的影響

由表2可知，隨著陶粒摻量的增加水泥混凝土的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28天彈性模量、混凝土質量均呈現不同程度的降低，含氣量增大，坍落度變化不明顯。綜合考慮水泥混凝土的性能，初定陶粒最佳摻量為20%，相較于對比樣，20%摻量陶粒混凝土質量降低了7.8%。

3.2 膠粉用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，調整膠粉用量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%），研究不同膠粉用量對水泥混凝土性能的影響，20%陶粒+膠粉水泥混凝土配合比見表3。

表3 不同膠粉摻量水泥混凝土配合比

由表4可知，隨著膠粉用量的增加，混凝土實測表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28d軸心抗壓強度、28d彈性模量和質量均呈下降趨勢，但是質量減輕幅度并不明顯，而含氣量、凝結時間和坍落度均不斷增加，尤其是坍落度增加明顯，施工和易性明顯提高，但與僅摻入20%陶粒水泥混凝土相比，20%陶粒+膠粉水泥混凝土的下降明顯，由7717g下降至7505g及以下，但是繼續摻入更多的膠粉對水泥混凝土質量影響不大，考慮經濟性和混凝土綜合性能，膠粉選取最優質量比0.4%，20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土質量（7448g）相較于對比樣（8200g）減輕9.2%。

表4 膠粉用量對水泥混凝土性能的影響

3.3 纖維用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，膠粉用量為0.4%，調整纖維用量（0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%），研究不同纖維用量對水泥混凝土性能的影響，20%陶粒+0.4%膠粉+纖維水泥混凝土配合比見表5。

表5 不同纖維摻量水泥混凝土配合比

由表6可知，隨著纖維用量的增加，混凝土實測表觀密度、抗壓強度、抗折強度、28d軸心抗壓強度、28d彈性模量均呈現不同程度的下降趨勢，纖維的加入對混凝土含氣量影響很小，混凝土的初凝時間和終凝時間變化幅度較小，坍落度先減小再增高。20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土的28的抗壓強度為32.4MPa，纖維用量為0.8%時，水泥混凝土28d抗壓強度增高至33.3MPa，繼續摻入纖維，水泥混凝土28d抗壓強度降低，未達到預期效果。7d和28d抗折強度相較于未加纖維的混凝土有所提高，當纖維含量大于1.2%時，水泥混凝土抗折強度小于20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土，故纖維含量應控制在1.2%以內。纖維含量為1%和1.2%時，水泥混凝土質量基本無變化，為減少材料成本，故選取纖維最優質量1%，相較對比樣水泥混凝土質量減輕12.2%。

表6 纖維用量對水泥混凝土性能的影響

3.4 引氣劑用量對水泥混凝土性能的影響

選定陶粒的摻量為20%，膠粉用量為0.40%，纖維用量為1%，在混凝土中分別加入1.2%、1.4%的引氣劑，為較少添加劑的種類，本文選取的是早強減水引氣劑，研究引氣劑摻量對混凝土性能的影響。

表7 不同引氣劑含量水泥混凝土配合比

表8 引氣劑對水泥混凝土性能的影響

由表4可知，加入引氣劑后，水泥混凝土28的抗壓強度由31.1MPa下降至27.6MPa（引氣劑摻量1.2%）和26.2MPa（引氣劑摻量1.4%），分別下降了11%和16%，坍落度由180mm分別提高至195mm和230mm，水泥混凝土質量進一步下降，引氣劑最優質量比為1.2%，相較于對比樣20%陶粒+0.4%膠粉+1%纖維+1.2%引氣劑水泥混凝土質量減少15.4%。

4 結束語

（1）在水泥混凝土中加入陶粒可顯著降低水泥混凝土的質量，根據水泥混凝土的性能變化情況，優選陶粒的最優質量比為20%，水泥混凝土質量降低7.8%。

（2）膠粉對水泥混凝土的和易性有顯著的改善作用，加入膠粉后水泥混凝土的坍落度大幅提高，經性能綜合比對，膠粉選取最優質量比0.4%，相較于20%陶粒+0.4%膠粉水泥混凝土質量對比樣減少9.2%。

（3）加入纖維后，水泥混凝土28d抗壓強度由32.4MPa增加至33.3MPa，隨著纖維含量的提高，水泥混凝土抗壓強度和抗折強度均出現了下降趨勢，經性能綜合分析，確定纖維最優摻量為1%，且20%陶粒+0.4%膠粉+1%纖維水泥混凝土質量相較于對比樣減少12.2%。

（4）加入引氣劑后，對混凝土含氣量的影響較大，從而影響輕質混凝土小型構件容重、抗壓強度、抗彎強度和開裂性能等，在滿足工程需要的前提下，選取最優摻量比為1.2%。